Ngày đầu xuân năm Kỷ Dậu (1069), Vua Lý Nhật Tông xuống thuyền hạ lệnh xuất quân, cử Lý Thường Kiệt làm Nguyên soái chinh phạt Chiêm Thành vì tội quấy phá lãnh thổ phía Nam.
Nước Chiêm Thành ở phía nam, trước đây đã bị Lê Hoàn đánh cho đại bại. Đến triều Lý, nhà Tống bên Trung Quốc có âm mưu thôn tính Đại Việt, ngầm xui dục Chiêm Thành quấy rối, thỉnh thoảng cho quân ra cướp phá vùng duyên hải và biên giới phía nam. Lúc bấy giờ trong nước đã ổn định, nhà Lý sung sức, vừa để ngăn chặn âm mưu của nhà Tống, vừa để mở rộng cõi bờ, lấy cớ Chiêm Thành bỏ triều cống, quấy rối biên thuỳ, năm 1044 Nhật Tông thân chinh đi đánh, giết vua Chiêm Sạ Đẩu, tiến thẳng vào kinh đô Phật Thệ, lập vua mới bắt triều cống, bắt hàng ngàn tù binh, thu hết châu báu trong kho của vua Chiêm rồi về, đem theo nhiều cung nhân, thợ khéo. Trong số cung nhân có nàng Mỹ Ê rất đẹp, khi thuyền nhà vua về đến hải phận Đại Việt, nhà vua sai triệu Mỹ Ê sang thuyền ngự hầu vua. Nghĩ mình là vợ vua Chiêm, vua Lý là thù địch, không chịu thất tiết với kẻ thù đã giết chồng cướp đất, Mỹ Ê đâm đầu xuống biển tự tử, về sau có nhiều thơ ca ngợi phẩm tiết, nơi đây dân lập đền thờ.
Năm 1061 Chế Củ lên ngôi ở Chiêm Thành, sửa sang võ bị quyết chí trả thù, sang thần phục nhà Tống, dựa thế nhà Tống, bỏ triều cống, chống lại nhà Lý. Nhật Tông lại quyết định thân chinh, sai Lý Thường Kiệt chuẩn bị cho cuộc viễn chinh đánh Chiêm Thành.
Lý Thường Kiệt chủ trương vừa dùng uy, vừa dùng đức, không chỉ làm cho người Chiêm sợ mà họ còn phải hàm ơn. Ông biết rằng, vua Chiêm Thành đang xây dựng một lực lượng khá mạnh lo việc phục thù, không chỉ bộ binh mạnh, thuỷ binh mạnh, mà còn có đội tượng binh lớn đào luyện chu đáo không thể coi thường. Bởi vậy, muốn thực hiện được ý đồ, cần phải có lực lượng thật tinh nhuệ thiện chiến, cả trên bộ dưới nước và trong rừng, lại phải nắm thật chắc địch tình, thiên thời địa thế nơi tác chiến, nên rải thám tử giả làm dân chài đi sâu đánh cá dọc ven biển Chiêm Thành, điều tra luồng lạch, tình hình bố phòng, chổ mạnh yếu của các tướng chỉ huy. Mặt khác huấn luyện binh sỹ cách đánh thuỷ, đánh bộ, đánh trong rừng núi, đánh tượng binh, đặc biệt huấn luyện cách chèo thuyền khi xung trận, dự trữ lương thực vũ khí, đóng thêm hàng trăm chiến thuyền để đủ chở quân, đóng thuyền rồng cho nhà vua ngự thân chinh.
Ngày 8 tháng 3 năm 1069, tức là ngày đầu xuân năm Kỷ Dậu, vừa ăn tết xong, thuận gió mùa, Vua Lý Nhật Tông xuống thuyền hạ lệnh xuất quân, giao việc nước cho Nguyên phi Ỷ Lan và Thái sư Lý Đạo Thành trông coi, cử Lý Thường Kiệt làm Nguyên soái.
Về phía Chiêm Thành, lực lượng thuỷ quân mạnh tập trung ở cửa Nhật Lễ, bộ binh ở Địa Ly, Ma Linh yếu không đáng kể. Bộ binh lớn đóng cả ở Trà Bàn. Lý Thường Kiệt đánh tan thuỷ quân Chiêm Thành ở cửa Nhật Lễ, theo đường biển tiến vào hướng nam đổ bộ lên cửa Thị Nại (Quy Nhơn). Vua Chiêm dốc hết lực lượng dàn trận ngăn chặn ở bờ sông Tu Mao có tượng binh trợ chiến. Lý Thường Kiệt, Lý Thường Hiến chia quân làm hai cánh đánh tạt sườn vào tuyến phòng thủ của quân Chiêm, giết mấy vạn người.
Quân thua, đang đêm vua Chiêm Thành Chế Củ đem gia đinh, cung nữ cùng 5 vạn cấm binh chạy vào phía Nam. Vua Lý vào thành Trà Bàn. Ngày 10 tháng 4 hai anh em Lý Thường Kiệt chia đường đuổi theo Chế Củ: Lý Thường Hiến chỉ huy thuỷ quân đuổi theo đường biển phòng đón đường Chế Củ chạy ra biển tẩu thoát, Lý Thường Kiệt chỉ huy bộ binh đuổi theo đường bộ, vượt đèo lội suối, hành quân truy kích kéo dài gần tháng, cuối cùng đuổi kịp Chế Củ tận biên giới Chân Lạp. Vốn thù địch với Chân Lạp, Chế Củ không dám vượt biên giới, đem 5 vạn quân ra đầu hàng (tháng 4 năm 1069). Lý Thường Kiệt phủ dụ hàng binh: ”Vì Chế Củ chuẩn bị xâm lược Đại Việt đẩy quân dân hai nước Đại Việt và Chiêm Thành vào cảnh đầu rơi máu chảy, vì sự yên ổn của nhân dân hai nước, vua Đại Việt phải bắt Chế Củ để trị tội, còn binh sỹ đã tỉnh ngộ cho về xum họp với gia đình làm ăn”. Binh sỹ Chiêm Thành tạ ơn rồi ai về quê nấy.
Chờ lâu ở Trà Bàn, vua Lý sốt ruột, lại được tin trong nước mất mùa đói kém sợ sinh biến, bèn quay về nước. Về đến vùng châu Cự Liêm (đất nhà) được biết Nguyên phi Ỷ Lan lo việc nội trị được lòng dân, đã vượt qua khó khăn, trong nước yên ổn. Nhà vua nghĩ rằng mình là đàn ông không lẻ thua đàn bà, bèn quay thuyền trở vào Trà Bàn, thì cũng vừa lúc Lý Thường Kiệt dẫn Chế Củ về dâng công, bèn tổ chức ăn mừng chiến thắng. Ngày 14 tháng 6, từ cửa Thị Nại, nổi trống hồi binh, dẫn theo Chế Củ, nhiều cung nữ, ca nữ, thợ khéo và nhiều tù binh, ngày 17 tháng 7 về đến bến Tiêu Dương trên sông Hồng, tính ra vừa hết 4 tháng 9 ngày. Chế Củ cắt đất nhường ba châu Bố Chính, Địa Ly, Ma Linh, vua Lý thả cho trở về nước.
Triều đình luận công khen thưởng, Lý Thường Kiệt vừa là Tổng chỉ huy, vừa là Quân sư, được công đầu phong Phụ quốc Thái phó giao thụ Lâm Bình Tiết độ sứ phụ quốc Thượng tướng quân thượng trụ quốc, Khai quốc công thần, Thiên tử nghĩa đệ (lúc này ông 41 tuổi, tuy làm Tiết độ sứ Lâm Bình nhưng vẫn ở Thăng Long).
Tháng 4 năm 1072 được phong Kiểm hiệu Thái úy. Ít lâu sau phong Thái uý Đông Trung thư môn hạ (8.1075), Đồng Bình chương quân quốc trọng sự (chức thứ hai trong triều, đứng sau Lý Đạo Thành). Ông đề xuất với nhà vua tiến hành một số cải cách, mở khoa thi chọn người hiền tài giúp nước. Thi cử theo Nho học bắt đầu ở nước ta từ đó. Khoa thi đầu tiên Lý Đạo Thành làm Chánh Chủ khảo lấy tên là khoa Minh kinh bác học năm Ất Mão niên hiệu Thái Ninh thứ 4(1075) lấy Lê Văn Thịnh đỗ đầu.
Chú thích: 1. Lê Văn Thịnh đỗ đầu khoa Minh kinh Bác học, làm đến chức Thái sư, năm 1096 dùng pháp thuật hoá thành con cọp, mưu giết vua cướp ngôi nhà Lý, mưu không thành, bị bắt bị cách chức đày vào Thanh Hoá. Đó là sử sách chép lại, còn ngày nay có ý kiến cho là vì mâu thuẫn bên trong sinh ra mà dàn dựng ra vụ án. 2. Ma Linh là tên một địa danh lịch sử của Việt Nam gồm các huyện Vĩnh Linh, Gio Linh, Cam Lộ thuộc Quảng Trị ngày nay. Sau khi sát nhập Ma Linh vào lãnh thổ Đại Việt, đến năm 1074 nhà Lý đã đổi tên Ma Linh thành châu Minh Linh.